Хлопкин Морская атомная енергетика 2007

Строится многоцелевая подводная лодка «Северодвинск», заложенная в 1993 г., и подводный ракетный крейсер «Юрий Долгорукий», заложенный в 1996 г.

Очень медленно достраивается атомный ледокол «50 лет Победы», заложенный в 1989 г.

Назначенный ресурс реакторных установок гражданского флота составляет 100 000 ч. В настоящее время ЯЭУ а/л «Арктика» отработала свыше 150 000 ч на мощности. Это открывает возможности продлить ресурс ЯЭУ гражданских судов до 150 000 ч. А а/л «Арктика» начинает новый этап продления ресурса ЯЭУ – до 175 000 ч.

Основой продления ресурса является фактическое состояние всего оборудования, проработавшего столь длительное время в суровых морских условиях.

Однако произвести полную ревизию всего оборудования не представляется возможным – нет ни средств, ни времени.

Нужно выделить приоритеты.

1.Прежде всего, обследуются те места, где можно ожидать появления дефектов, где наиболее тяжелые условия работы оборудования, где проявились отказы оборудования и систем.

2.Далее проверяется состояние оборудования, которое, на первый взгляд, менее уязвимо, но где последствия выхода из строя оборудования могут наиболее неблагоприятным образом отразиться на безопасности установки.

3.Очень важным условием продления сроков эксплуатации ЯЭУ является повышение ее безопасности. Нормативная документация по безопасности с момента проектирования и постройки очень сильно изменилась.

Исходя из современных требований по безопасности, определяются оборудование и системы, не отвечающие этим требованиям, и производится технико-экономическое обоснование изменений. Там, где это целесообразно, такие изменения вносятся. В случаях же, когда затраты времени и ресурсы превышают возможности, приходится ограничиваться внесением компенсирующих мер.

4.Эксплуатация ЯЭУ за пределами спецификационных значений ресурса требует более квалифицированного обслуживания. Поэтому необходимо повышение навыков управления и квалификации персонала. В частности, требуется оснащение эксплуатирующей организации различного рода тренажерами. В ряде случа-

21

ев обучающие тренажеры в виде ноутбука полезно иметь и на корабле, что сейчас вполне реально.

5. Для прогноза состояния оборудования при увеличении сроков его использования требуется мониторинг – постоянный или периодический контроль состояния оборудования, особенно того, дальнейшая работоспособность которого внушает опасения.

4.2. Проблемы скрытности кораблей

Для подводных лодок очень актуальной проблемой остается скрытность действий в море, ибо при наличии дальнодействующего и высокоточного оружия обнаруженная подводная лодка в короткое время будет уничтожена. Скрытность позволяет успешнее бороться с противником. Главная задача – снижение шумности, возбуждаемой движущимися механизмами и обтеканием среды. У реакторной установки наиболее шумными механизмами являются насосы ЦНПК и третьего контура, практически постоянно работающие. Травление пара на конденсатор турбин в малошумных режимах должно быть исключено. Периодические шумы создают шаговые двигатели и пневмоарматура.

Вопросы скрытности должны решаться уже на самых ранних стадиях разработки, в процессе акустического проектирования. Сейчас снижение шумности атомных подводных лодок и их энергетических установок приближается к тому состоянию, когда их шумы в режиме скрытных действий становятся ниже шумов моря.

4.3. Проблемы тяжелых аварий

Многолетняя эксплуатация морских ЯЭУ подтвердила их высокую безопасность в условиях нормальной эксплуатации для экипажа, порта и моря. Остаются тяжелые аварии, полностью исключить которые, как и в других отраслях промышленности, нельзя. Можно только вероятность их свести к очень малой величине и снизить последствия. Затонуло пять отечественных атомных подводных лодок. Надо отметить, что первопричиной их затопления не был отказ реактора. Но тяжелые аварии реакторных установок были. Они сопровождались выходом из строя активных зон, сильным загрязнением отсека, а в некоторых случаях и гибелью людей.

22

Возможность таких аварий существенно ограничила развитие гражданского атомного флота, создав опасения серьезного воздействия тяжелой аварии на город-порт.

Перечень тяжелых аварий реакторных установок более или менее определился:

1)полное обесточивание;

2)неконтролируемый рост мощности (реактивностные аварии);

3)потеря теплоносителя;

4)затопление объекта;

5)пожар;

6)опрокидывание судна;

7)столкновение;

8)посадки на мель.

Определяет тяжесть аварии степень повреждения тепловыделяющих элементов, в первую очередь их оболочек.

Повышение сопротивляемости тяжелым авариям и уменьшение их последствий достигается повышением самозащищенности реактора за счет создания в нем отрицательных обратных связей и более широким использованием пассивных систем безопасности, не требующих для своего действия подвода энергии извне. Широко ведутся работы по управлению процессами в ходе аварии, в результате чего часть из перечисленных аварий уже переведена из запроектных аварий в проектные (полное обесточивание, столкновение с другим судном). Однако до сих пор тяжелые аварии являются бичом всей атомной энергетики, в том числе и морской.

4.4. Повышение технико-экономических показателей

При создании атомных ледоколов второго поколения была практически решена их окупаемость, но грянула перестройка, разрушились нормальные хозяйственные связи в стране, провозглашена новая хозяйственная политика в отношениях стран северных земель. Крутой переход к рыночным отношениям в северных регионах, игнорирование здесь важнейших стратегических интересов страны (оборонных и экономических, связанных с огромными запасами полезных ископаемых, особенно углеводородов) привели к разрушению нормального функционирования Севера. Грузооборот по Северному морскому пути упал почти в 5 раз. Начался массовый отток населения с Севера, поощряемый государством. Атом-

23

ный ледокольный флот оказался в режиме выживания. Атомный ледокол «50 лет Победы» строится уже более 15 лет (до перестройки новый ледокол строился за 4 года)! Новые ледоколы, о начале создания которых стали принимать решения с 2000 г., не имеют до сих пор никакого финансирования.

В этих условиях технико-экономические показатели всего судна играют очень важную роль, доля стоимости ЯЭУ в них не так уж велика (не более 10 %).

Необходимость существенного снижения стоимости создания и обслуживания ясно была выражена и в отношении ВМФ. Главком ВМФ высказал пожелания, чтобы водоизмещение новых подводных лодок не превышало 12000 т с соответственным снижением стоимости (практически пропорционально их водоизмещению). США отказались от планируемой большой серии очень эффективных подводных лодок «Си Вулф», стоимость каждой из них возросла до 2 млрд дол., в пользу менее эффективных, но более дешевых подводных лодок «Вирджиния».

Франция отказалась от постройки второго атомного авианосца, заменив его менее эффективным, но более дешевым авианосцем на органическом топливе.

Проблема повышения технико-экономических показателей атомных флотов становится все более значимой.

4.5. Признание общественностью достаточной безопасности атомных ледоколов и судов

До сих пор к ядерной энергетике относятся с некоторым предубеждением. Требуется в каждом случае обоснование ее применения, что не делается применительно к другим видам энергетики. Хотя все технологии, применяемые в обычной энергетике, создают определенную опасность.

Заход в иностранный порт атомному судну сильно усложнен наличием многочисленных процедур – заблаговременное представление документации, позволяющей определить безопасность судна для порта; обследование радиационной обстановки на борту перед заходом в порт; специальное оборудование причала с наличием приборов, средств защиты, буксирного обеспечения; проверка готовности выхода из порта на удаленную стоянку в случае начала

24

аварии и ряд других требований. В этих условиях конкурентоспособности атомному судну по сравнению с обычным не достигнуть.

И в нашей стране атомным судам разрешен заход лишь в восемь портов – Калининград, Мурманск, Кандалакша, Певек, Провидения, Владивосток, Диксон, Дудинка.

Без признания общественностью достаточности безопасности судов их деятельность будет встречать значительные трудности.

4.6. Усовершенствование инфраструктуры

Атомные корабли и суда для обеспечения своей деятельности требуют особой инфраструктуры, особого базового обслуживания. Остро стоят вопросы межпоходовых и заводских ремонтов – из-за недостатка финансовых средств. Для переработки жидких и твердых радиоактивных отходов требуются специальные установки и оборудованные площадки – для хранения отходов.

Непроста цепочка обращения и с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ). Много его накоплено на базах от предыдущей эксплуатации флота. Старые хранилища ОЯТ потеряли герметичность, топливо перемещено во временные сухие хранилища, не удовлетворяющие современным требованиям. Нужен срочный вывоз этого топлива на переработку.

Требуется решить судьбу и не перерабатываемого сейчас топлива – уран-циркониевого и уран-бериллиевого.

Сейчас возраст многих атомных судов, и особенно подводных лодок, достиг предельного. Выведено из эксплуатации все первое их поколение, значительная часть второго и приступили к выводу из эксплуатации третьего поколения. Из судов выведен из эксплуатации а/л «Ленин».

Утилизация атомных подводных лодок набрала хороший темп – более 15 объектов в год. Образуется большое количество радиоактивных отходов в виде целых реакторных отсеков. Практически все они на плаву, хотя считается более рациональным хранить их на берегу. Выбор площадок для хранения отработавших отсеков, а также других радиоактивных отходов труден, идет медленно.

В целом, у атомных флотов существуют определенные проблемы. Пути решения их в основном известны, но требуются финансо-

25

вое обеспечение и время для выполнения необходимых ОКР и НИР, а также новое оборудование.

5.ОСОБЕННОСТИ МОРСКИХ ЯЭУ

ИУСЛОВИЙ ИХ РАБОТЫ

Море предъявляет очень жесткие требования к ЯЭУ. Они работают в экстремальных и изменяющихся климатических условиях – от теплых океанских вод Атлантики до сплошных ледовых полей Арктики, при штормах и ураганном ветре, качке до 45°, виброударных нагрузках. Основная их работа в море, вдали от портов.

В дополнение к обычным аварийным условиям у них есть еще и специфические виды аварий – затопление, опрокидывание, столкновения, посадка на мель.

Удаленность от мест базирования затрудняет эвакуацию экипажа и оказание ему медицинской помощи. Поэтому морские установки имеют существенные особенности по сравнению с наземными.

5.1. Компактность установок

Габариты и водоизмещение судна дают возможность разместить лишь компактные установки. Компактность установки обеспечивается выбором соответствующих решений по всему оборудованию. Прежде всего, требуется компактный реактор, размеры которого в значительной мере определяются физическими характеристиками активной зоны.

Малыми размерами обладают активные зоны с хорошими замедлителями нейтронов. Это обычная вода, содержащая значительное количество водорода. Она даже более предпочтительна, чем тяжелая вода с малым сечением поглощения нейтронов, так как обладает очень малой длиной миграции, резко снижающей вылет нейтронов из активной зоны.

У реакторов на быстрых и промежуточных нейтронах, в которых теплоносителями служат жидкие металлы (щелочные металлы, эвтектика свинец-висмут и просто свинец с небольшими легирующими добавками), активные зоны тоже имеют малые размеры.

26

Малогабаритные активные зоны обязательно высокоэнергонапряженные с высокими тепловыми нагрузками. Развитие в них поверхностей теплообмена сопряжено с вводом дополнительного количества материалов, ухудшающих физические свойства активных зон, что приводит к снижению использования топлива. Хороший съем тепла достигается соответствующим выбором теплоносителя и увеличением скоростей его вблизи теплоотдающих поверхностей.

В малогабаритных активных зонах высоки удельные накопления продуктов деления в сердечниках твэлов, что требует особых их конструкций и высококачественных материалов оболочек.

Поскольку биологическая защита составляет значительную массу установки, часть ее оборудования – теплообменники, фильтры, компенсаторы давления и даже парогенераторы – компонуется таким образом, чтобы выполнять роль биологической защиты.

Компактность установок дает им одно неоспоримое преимущество – большинство монтажных работ можно выполнить в условиях машиностроительного завода, а не на стапеле судостроительного завода. Повышается качество выполненных работ. Появляется возможность на машиностроительном заводе создавать модули, а в некоторых случаях и блок установки, которые затем транспортируются на судостроительный завод. В судостроительной промышленности модульный способ постройки применяется уже давно.

5.2. Невозможность на судне создать санитарно-защитную зону

Поэтому морские установки, за редким исключением, двухконтурные. Первый контур для обеспечения герметичности имеет преимущественно сварное исполнение. Циркуляционные насосы первого контура, приводы органов регулирования, арматура не имеют сальниковых уплотнений. Охлаждение приводов произво-

дится без проливки водой первого контура специальным внешним контуром, не соединенным с первым контуром. Система очистки теплоносителя первого контура замкнутая, без сброса давления. Прокачка теплоносителя в ней осуществляется за счет напора главных циркуляционных насосов.

Установки должны работать надежно и безопасно в непосредственной близости к людям.

27

5.3.Маневренная работа

всоответствии с изменяющейся нагрузкой

Потребности судна в энергии изменяются в соответствии с условиями плавания. Особенно это относится к атомным ледоколам. Чистая вода, лед, торосы требуют различных уровней мощности установки. Околка судов или их буксировка во льду производится практически при непрерывно изменяющейся мощности во избежание повреждения судов. Торосы на пути ледокола не всегда удается преодолеть с ходу. Приходится отходить и наносить новый удар по многометровой толще льдов. В работе ударами используются реверсы винтов – с полного переднего хода до полного заднего с переходом через нулевую мощность.

Маневренная работа установки требует особых решений в конструкции оборудования.

Все оборудование должно иметь повышенные запасы прочности. Дополнительные напряжения вследствие изменения температур теплоносителя и рабочего тела могут достигать значительных величин.

Поэтому в первом контуре морских установок создаются большие расходы теплоносителя, чтобы снизить подогрев его при прохождении активной зоны до нескольких десятков градусов.

В минимальной мере в морских установках используются фланцевые соединения, которые могут терять свою герметичность при изменении температурного режима вследствие неоднородного нагрева. Параметры теплоносителя морских энергетических установок на органическом топливе ниже, чем у стационарных.

Сердечники твэлов должны иметь высокую теплопроводность (так называемое холодное топливо), чтобы уменьшить колебания их размеров и воздействие на оболочку твэлов при маневрировании. Тепловыделяющие элементы с сердечником из диоксида урана, которые нашли широкое распространение на атомных станциях, будут иметь ограниченное применение на морских установках. Эксплуатация подобных твэлов на а/л «Ленин», «Отто Ган» показала, что они начинают терять герметичность в течение нескольких месяцев маневренной работы. На полной мощности температура в центре твэлов достигает 1500 – 2000 °С, а на 10 % – 500 – 600 °С. Такое изменение температур сердечника приводит к сильному

28

взаимодействию между сердечником и оболочкой и существенно снижает работоспособность твэла.

В некоторых случаях требования по маневренности заметно влияют на КПД энергетической установки. На ледоколах переменные режимы не позволяли использовать турбины с хорошим регенеративным подогревом питательной воды отборами пара из промежуточных ступеней турбины. При быстрых изменениях мощности трудно осуществлять регулирование отборов пара. Поэтому температура питательной воды, поступающей в парогенераторы, близка к 100 °С. КПД турбин равен 22 %. На атомном лихтеровозе с более спокойным режимом работы энергетической установки применены три регенеративных подогревателя питательной воды, в результате чего ее температура повышена до 170 °С. КПД турбины увеличился до 25 %.

5.4. Автономность установки

На судне нет возможности использовать другие источники энергии, кроме собственных. Изолированная работа установки требует избыточного резервирования как основного, так и вспомогательного оборудования. В строю должно быть не менее двух независимых источников энергии, обладающих надлежащей надежностью, состоящих из двух паровых турбогенераторов, питаемых паром реакторной установки. Они имеют раздельные щиты управления и щиты электроснабжения механизмов и систем (обычно разведенные по бортам).

Кроме того, предусматриваются независимые от реакторной установки резервные и аварийные дизель-генераторы. С их помощью производится ввод в действие атомной установки, а также расхолаживание реакторов после их остановки и обеспечение энергией стояночных режимов. На подводных лодках, где дизель-генераторы можно использовать только во всплытом состоянии, основным резервным источником электроснабжения служат аккумуляторные батареи.

На ледоколах, где установлены два реактора, не предусмотрен вспомогательный источник энергии для возвращения на базу в случае остановки реактора. Вероятность выхода из строя сразу обоих реакторов мала. Если это произойдет во льдах, то чтобы из них вы-

29

браться, мощность вспомогательного источника должна быть большой, потребуются большие площади и объемы для размещения самой вспомогательной установки и запасов для нее топлива.

У однореакторных судов вспомогательные установки предусмотрены. Это – вспомогательные дизель-генераторы большой мощности, как у а/л «Таймыр» и «Вайгач», или вспомогательная котельная установка, как у а/с «Севморпуть». Они же используются и на стояночных режимах.

Стояночные режимы двухреакторных ледоколов обеспечиваются специальными вспомогательными котлами небольшой паропроизводительности (2×10 т/ч пара). Их мощности достаточно для обеспечения освещения, вентиляции и других электропотребителей, а также и для отопления в различных условиях базирования.

Установка должна иметь достаточное резервирование, чтобы выдержать внешнее воздействие, выход отдельного оборудования из строя без разрушения корабля или поражения экипажа, с учетом того, что в море трудно обеспечить экстренную помощь.

5.5. Вибро- и ударостойкость

На судне неизбежны вибрации при работе винтов, особенно на максимальных уровнях мощности. Вибрация возникает и при больших скоростях движущихся сред. К ним во льдах добавляются ударные нагрузки при взаимодействии со льдом, особенно при форсировании набегами торосов. Оборудование судна должно выдерживать возникающие перегрузки и деформацию фундаментов при движении по морю, а реакторная установка надежно обеспечивать энергией всех потребителей судна.

Вибрационные нагрузки накладывают определенный отпечаток на принимаемые решения. Оборудование не должно иметь резонансов в областях рабочих частот вибрации. Все оборудование должно быть надлежащим образом раскреплено.

Приходится избегать разветвленных контуров с теплоносителями, которые трудно раскрепить и одновременно обеспечить компенсацию тепловых расширений при изменении режимов работы.

Морские установки должны быть стойки к подводным взрывам.

30